新型石墨烯界面讓鋰硫電池循環(huán)壽命突破1000次

研究人員開(kāi)發(fā)出一種石墨烯-COF界面，可大幅提升鋰硫電池的壽命和能量密度。

研究人員開(kāi)發(fā)出一種分子工程化夾層，攻克了鋰硫電池商業(yè)化面臨的一大障礙，使電池在超過(guò)1000次充放電循環(huán)中仍能保持容量，并實(shí)現(xiàn)高能量密度。

該團(tuán)隊(duì)由日本東北大學(xué)及合作機(jī)構(gòu)的研究人員牽頭，設(shè)計(jì)出一種共價(jià)有機(jī)框架（COF）與石墨烯的復(fù)合界面，能阻止多硫化鋰在電池內(nèi)部移動(dòng)。這種有害的遷移被稱為多硫化物穿梭效應(yīng)，長(zhǎng)期制約著鋰硫電池的壽命和效率。

鋰硫電池被視為當(dāng)今鋰離子電池技術(shù)的一種有前景的替代方案，因?yàn)榱騼?chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，且能儲(chǔ)存遠(yuǎn)高于前者的能量。然而，充放電過(guò)程中產(chǎn)生的溶解態(tài)多硫化鋰會(huì)在正負(fù)極之間游走，引發(fā)副反應(yīng)，導(dǎo)致容量快速衰減。

為此，研究人員沒(méi)有依賴物理阻隔，而是設(shè)計(jì)了一種能化學(xué)捕獲多硫化物的夾層，同時(shí)幫助它們繼續(xù)參與電池的電化學(xué)反應(yīng)。

解決穿梭效應(yīng)難題

這種命名為TUS-44的新材料，是一種四硫富瓦烯-冠醚共價(jià)有機(jī)框架與導(dǎo)電石墨烯的復(fù)合物。兩者結(jié)合形成了輕質(zhì)功能層，既能捕獲多硫化鋰，又能加速電子傳輸。

該COF含有亞胺氮、冠醚氧和富硫的四硫富瓦烯位點(diǎn)，能與多硫化鋰發(fā)生相互作用。石墨烯則提供導(dǎo)電通路，改善電荷轉(zhuǎn)移，并在電池運(yùn)行期間促進(jìn)硫的轉(zhuǎn)化。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示，配備TUS-44@G夾層的鋰硫電池在0.2 A g?1電流密度下可提供1455.7 mAh g?1的可逆容量，即使在10 A g?1的高電流密度下，仍能保持773 mAh g?1。在5 A g?1條件下循環(huán)1000次，電池每次循環(huán)的容量衰減率僅為0.034%。

研究人員還用該夾層制作了鋰硫軟包電池，其初始能量密度達(dá)到約674 Wh kg?1，凸顯了該材料在實(shí)際高能電池應(yīng)用中的潛力。

“我們的目標(biāo)不是設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單阻擋多硫化物的夾層，而是主動(dòng)調(diào)控其反應(yīng)路徑，”日本東北大學(xué)多元物質(zhì)科學(xué)研究所的Saikat Das準(zhǔn)教授解釋道。“通過(guò)將冠醚和四硫富瓦烯化學(xué)整合到有序的COF中，并與石墨烯偶聯(lián)，我們創(chuàng)造了一個(gè)能夠更高效地錨定、再分布和轉(zhuǎn)化硫物種的協(xié)同界面。”

分子設(shè)計(jì)至關(guān)重要

傳統(tǒng)的多孔碳材料與多硫化物的相互作用很弱，而共價(jià)有機(jī)框架則可以精確調(diào)控孔結(jié)構(gòu)和化學(xué)官能團(tuán)。這讓它們既能捕獲多硫化鋰，又能同時(shí)促進(jìn)電子傳輸和硫轉(zhuǎn)化。

研究團(tuán)隊(duì)利用席夫堿化學(xué)合成了TUS-44，構(gòu)建出具有均勻微孔和高比表面積的二維多孔框架。將其與石墨烯共同涂覆在聚丙烯隔膜上，材料形成了一層薄的界面層，能充分吸收電解液，同時(shí)抑制多硫化物穿梭。

“這項(xiàng)研究表明，網(wǎng)格化學(xué)可用于在分子層面編程電池界面，”東北大學(xué)的根岸雄一教授表示。“TUS-44@G的設(shè)計(jì)通過(guò)將多硫化物固定與催化硫轉(zhuǎn)化統(tǒng)一起來(lái)，為開(kāi)發(fā)輕量化、長(zhǎng)壽命和高倍率的鋰硫電池指明了一條路徑。”

該研究發(fā)表于期刊《Small》。

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